朱清峰，夏多田，毛虎榮，吳士軒，呂開清

（石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000）

陶粒砌塊熱工性能計算及孔型優(yōu)化研究

朱清峰，夏多田，毛虎榮，吳士軒，呂開清

（石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000）

根據新疆寒冷地區(qū)的特點，設計了一系列390 mm×300 mm×190 mm規(guī)格的陶?；炷量招钠鰤K。從陶?；炷粱膶嵯禂?、孔洞排列數、孔洞交錯排列等方面對砌塊的熱工性能進行了理論分析和平均熱阻的計算。研究發(fā)現，陶粒砌塊孔洞的排數是影響砌塊平均熱阻最主要的因素，基材的導熱系數對砌塊熱阻影響次之，孔洞交錯排列對改善空心砌塊的熱阻效果不明顯，并提出了基于熱工因素的建議優(yōu)化孔型。

陶粒混凝土；空心砌塊；熱工性能；孔型

0 前言

隨著我國建筑節(jié)能和墻體材料改革工作的開展，混凝土空心砌塊由于其具有節(jié)土節(jié)能的特點，成為替代實心黏土磚的墻體材料之一，在我國得到了大力推廣[1]。特別是輕質混凝土空心砌塊，作為多層建筑中既承重又保溫隔熱的新型墻體材料，除了在力學性能上要滿足基本的要求以外，它的保溫隔熱性能也是學者們研究的熱點[2]?？仔蛢?yōu)化是改善砌塊熱工性能的有效方法之一。滕超等[3]指出，熱流方向的孔排數對空心砌塊的熱阻影響最大，每增加一排孔，砌塊熱阻至少可增大10%，而垂直熱流方向的孔列數對其熱工性能影響很小。居松茂和李楠[4]通過正交試驗發(fā)現，孔的交錯程度對混凝土空心砌塊的熱阻影響非常小，可在熱阻值優(yōu)化計算過程中固定孔的交錯程度，通過改變孔寬和最大限度地設置孔排數（保證砌塊強度的前提下）進行砌塊熱阻值優(yōu)化計算。通過計算比較，孔寬35 mm的四排孔砌塊的熱阻值最大。張源和何嘉鵬[5]研究指出，對規(guī)格390 mm×190 mm×190 mm、每排2個孔的砌塊，當間層寬度（大孔/小孔）為220 mm/95 mm，間層高度為190 mm，間層厚度為25 mm，間層排數為4排時，可以達到最佳熱工性能。

結合新疆地域的特點，課題組開展了大摻量粉煤灰陶?；炷凛p質空心砌塊的相關研究（以下簡稱陶粒砌塊）。本陶粒砌塊以陶粒為粗骨料，以陶砂為細骨料，以水泥和粉煤灰為主要膠凝材料并加入其它工業(yè)固廢與水拌合經成型后制得。本文考慮孔洞交錯排列、陶粒砌塊基材導熱系數和孔洞排列數等對砌塊熱阻的影響，進行了孔型優(yōu)化設計及平均熱阻的計算，為砌塊的批量生產提供理論依據和技術支撐。

1 陶粒砌塊孔型設計

根據新疆地區(qū)目前多層磚混結構墻體厚度和墻體保溫節(jié)能工法，設計陶粒砌塊尺寸為390 mm×300 mm×190 mm。為研究孔洞交錯排列對砌塊熱工性能的影響，設計出壁厚為30 mm、肋厚為20 mm的三排交錯孔型和壁厚、肋厚都為30 mm的四排交錯孔型，如圖1、圖2所示。為找出孔洞排列數與砌塊熱工性能之間的關系，固定砌塊的孔洞率為40%，設計出不同排數的空心砌塊，如圖3所示。

圖2 4排孔型空心砌塊設計物理模型

圖3 不同排數空心砌塊的設計物理模型

2 陶粒砌塊平均熱阻計算方法

按照GB 50176—93《民用建筑熱工設計規(guī)范》中2種以上材料組成的計算公式，利用其外形尺寸和基材導熱系數，將砌塊劃分成若干個傳熱通道以計算其平均熱阻，原理如圖4所示。

圖4 空心砌塊平均熱阻計算示意

式中：F——與熱流方向垂直的傳熱面面積，m2；

L——與熱流方向垂直的傳熱面長度，m；

H——與熱流方向垂直的傳熱面高度，m。

根據熱力學原理[6]，平行于傳熱方向由幾層不同材料組成，其熱阻為：

式中：Rj——各通道中各層的熱阻，（m2·K）/W，由式（3）求得：

式中：λj——各通道各層的導熱系數，W/（m·K）；

dj——各通道各層的厚度，m。

各通道的熱阻R0，i由式（4）計算：

式中：Ri——內表面換熱阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面換熱阻，取0.04（m2·K）/W。

垂直于傳熱方向由2種以上的材料組合構成的組合材料層，其平均熱阻應按式（5）計算：

式中：F0——與傳熱方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2、...、Fn——按平行于熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2；

R0，1、R0，2、...、R0，n——各個通道熱阻，（m2·K）/W。

φ——組合材料的修正系數，取值見表1。

表1 修正系數φ的取值

不同材料的導熱系數比參照GB 50176—93選取，空氣間層的熱阻應按表2取值。

表2 空氣間層的熱阻

3 陶粒砌塊熱工參數計算實例

3.1 參數的采集及通道的劃分

根據文獻[6]的方法，選擇圖1中三排孔空心砌塊中的編號6為對象，將垂直于熱流方向的總傳熱面劃分為9個傳熱面，如圖5所示。模型采用的數據主要有：陶粒混凝土導熱系數為0.53 W/（m·K），空氣間層的熱阻取0.18（m2·K）/W。

圖5 三排孔空心砌塊傳熱通道劃分模型

3.2 計算平行于熱流方向各個傳熱面面積

根據圖5中L、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9尺寸及H的尺寸代入式（1）計算各傳熱面的面積，結果見表3。

表3 三排空心砌塊各通道的傳熱面積m2

3.3 計算平行于熱流方向各個傳熱面部位的熱阻

從圖5可以發(fā)現，一般平行于混凝土空心砌塊熱流方向的結構只分為2種：（1）混凝土層；（2）混凝土+空氣層。根據圖4的尺寸，計算平行于熱流方向的傳熱面部位的熱阻需分為以下2種情況[7]：

（1）計算混凝土通道的熱阻R0，1、R0，9

以混凝土空心砌塊基材的寬度B=0.30 m，導熱系數λ基= 0.53 W（/m·K）為例，根據式（3）計算得R1=R9=0.30/0.53=0.5660 （m2·K）/W，再由式（4）計算R0，1=R0，9=0.7160（m2·K）/W。

（2）計算混凝土+空氣層的熱阻R0，1、R0，2、...、R0，8

根據混凝土空心砌塊中空氣間層厚度，從表2查得空氣間層的熱阻值R空=0.18（m·2K）/W，由混凝土空心砌塊寬度方向的規(guī)格可得：R2=R4=R6=R8=0.7287（m2·K）/W，再由式（4）計算可以得出：R0，2=R0，4=R0，6=R0，8=0.8787（m2·K）/W。同理R0，3= R0，7=0.8119（m2·K）/W，R0，5=0.7828（m2·K）/W。

3.4 計算修正系數φ

根據R空和空氣間層厚度，計算空氣間層的當量導熱系數λ空=0.07/0.18=0.3889 W（/m·K）。與λ基比較，較小值作為分子，較大值作為分母，計算兩者的比值，得λ空/λ基=0.3889/ 0.53=0.73，其結果在范圍0.70～0.99內，故修正系數φ取0.98。

利用3.1、3.2、3.3、3.4中的各參數，代入式（5），計算得到平均熱阻=0.6734（m2·K）/W。

考慮陶?；炷粱牟煌呐浜媳?，水泥的用量，骨料的不同成分和陶粒砌塊的密度不同會產生不同的導熱系數，圖1、圖2、圖3中各孔型砌塊的平均熱阻計算結果分別見表4、表5、表6。

表4 三排孔型空心砌塊的平均熱阻（m2·K）/W

表5 四排孔型空心砌塊的平均熱阻（m2·K）/W

表6 不同孔洞排列數空心砌塊的平均熱阻

4 陶粒砌塊平均熱阻的影響因素

4.1 材料導熱系數、孔洞交錯排列的影響

為進一步分析影響空心砌塊熱阻得因素，將表4～表6數據繪制成曲線，見圖6～圖8。

圖6 三排孔砌塊平均熱阻曲線

圖7 四排孔砌塊平均熱阻曲線

圖8 孔洞排數-平均熱阻曲線

由表4和表5、圖6和圖7可以看出，在孔洞率、孔型的排數及布置都不變的情況下，隨著陶粒砌塊基材導熱系數由0.30 W/（m·K）逐漸增大到0.6 W/（m·K）時，砌塊的平均熱阻值逐漸減小，三排孔型和四排孔型具有相似的變化規(guī)律，而且導熱系數由0.30 W/（m·K）增大到0.35 W/（m·K）時，三排孔型和四排孔型砌塊平均熱阻減小幅度最大。當陶?；炷粱膶嵯禂倒潭?、孔洞率變化很小的情況下，改變孔洞的排列方式，砌塊平均熱阻值變化很小，說明改變孔洞排列方式對于改善砌塊的平均熱阻的效果不明顯。

4.2 孔洞排數的影響

由表6和圖8可知，在孔洞率為40%的情況下，增加砌塊中空氣間層的數目，即孔洞的排數從2排增加到5排，每增加1排，砌塊平均熱阻依次分別增大20.41%、18.95%、8.43%比較3排孔、4排孔、5排孔與2排孔砌塊的平均熱阻值發(fā)現3排孔、4排孔、5排孔砌塊比2排孔砌塊的平均熱阻值增幅分別為20.41%、43.22%和55.29%。可以看出砌塊孔洞的排數對空心砌塊的熱阻影響很大。孔洞排數增加到4排以后，再通過增加孔洞排數來增大砌塊平均熱阻的效果將降低，說明砌塊孔洞率在某一數值時，存在與最佳熱工性能相匹配的孔洞排列個數。

4.3 最佳孔型

比較選出最佳的孔型設計，所設計的3排孔型中，基材導熱系數為0.53 W/（m·K）時，圖3的b孔型理論計算出的平均熱阻為0.7263（m2·K）/W，較圖1中3排孔型的都大，即砌塊孔型為3排時，圖3的b孔型為所優(yōu)化的最佳孔型；圖2的4排孔1#孔型的平均熱阻為0.8703（m2·K）/W，表6中c孔型砌塊平均熱阻0.8639（m2·K）/W，兩者相差不大，考慮其生產工藝復雜性及條件，圖2的1#孔型砌塊生產較復雜一些，故選圖3的c孔型為4排孔所優(yōu)化的最佳孔型。

5 結語

通過對陶粒砌塊熱工性能的計算與孔型優(yōu)化研究，得出如下結論：（1）孔洞的排數對砌塊平均熱阻影響很大，僅考慮熱工性能，應設置盡可能多的孔洞排數；（2）陶粒混凝土基材的導熱系數對砌塊熱工性能影響較大；（3）在孔洞率和孔洞排數固定的情況下，改變孔洞的排列方式，對改善空心砌塊的熱阻效果不明顯；（4）在其力學性能及生產工藝允許的條件下，按其熱工性能選擇最佳的孔型為圖3中的b、c孔型。“導熱系數低、多排孔”可以作為具有良好熱工性能的陶粒混凝土空心砌塊的熱工設計原則。

[1]申繪芳.復合自保溫混凝土砌塊砌體的試驗研究[D].杭州，浙江工業(yè)大學，2010.

[2]陳利群.多排孔陶粒混凝土空心砌塊砌體基本性能研究[D].長沙長沙理工大學，2007.

[3]滕超，楊旗，彭紅.陶?；炷量招钠鰤K孔洞結構的優(yōu)化[J].材料導報，2011，25（S1）：281-284.

[4]居松茂，李楠.正交試驗在混凝土小型空心砌塊熱阻值優(yōu)化中的應用[J].墻體革新與建筑節(jié)能，2008（11）：31-33.

[5]張源，何嘉鵬.節(jié)能空心砌塊選型的正交綜合分析[J].建筑技術2009，40（4）：336-339.

[6]Yunus A Gengel，Michael A Boles.熱力學-原理及工程技術應用[M].4版.北京：清華大學出版社，2004.

[7]黃嘉樑.混凝土空心砌塊熱導率的計算方法[J].建筑節(jié)能，2009，37 （9）：44-45.

Study on the ceramsite hollow block thermal performance calculation and the type optimization

ZHU Qingfeng，XIA Duotian，MAO Hurong，WU Shixuan，LV Kaiqing
（College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China）

According to the characteristics of the cold region in Xinjiang，many of the 390 mm×300 mm×190 mm specifications of ceramsite concrete hollow blocks are designed.From the thermal conductivity of the substrate material，the holes arrangement and the holes staggered about many aspects，theoretical analysis of the thermal performance and average thermal resistance calculation of the block are carried out.The study found that one of the largest factors affecting the average thermal resistance is the holes arrangement，thermal conductivity coefficient of the substrate material takes the second place，the effect of holes staggered is not obvious，and some suggestions based on the thermal factors optimization type are put forward.

ceramsite concrete，hollow block，thermal performance，the hole type

TU522.34

A

1001-702X（2016）09-0054-04

國家自然科學基金項目（51468057）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201510759044）

2016-02-01；

2016-05-13

朱清峰，男，1990年生，河南永城人，碩士研究生，研究方向為砌體結構。